具有無線通信功能的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有無線通信功能的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括若干個現(xiàn)場采樣器和一個遠程數(shù)據(jù)處理器，每一個現(xiàn)場采樣器包括箱體、雨水感應器、雨量計、翻轉蓋板、干沉降收集缸、濕沉降收集缸、位置傳感器、電機以及控制與傳輸系統(tǒng)，翻轉蓋板與電機相連，控制與傳輸系統(tǒng)分別與雨水感應器、電機、雨量計、位置傳感器相連，遠程數(shù)據(jù)處理器與每一個現(xiàn)場采樣器通過公共無線數(shù)據(jù)通訊服務進行數(shù)據(jù)傳輸。本實用新型通過無線通訊方式將采集到的降雨量數(shù)據(jù)和翻轉蓋板位置信息由現(xiàn)場采樣器傳遞到遠程數(shù)據(jù)處理器，并可實現(xiàn)基本的遠程控制，最大限度地保證了野外復雜環(huán)境下大氣干濕沉降樣品采集和分析的質量。
【專利說明】具有無線通信功能的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及環(huán)境監(jiān)測設備研究領域，特別涉及一種具有無線通信功能的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]大氣沉降是指大氣中各種物質的自然沉降，分為干沉降和濕沉降。其中，干沉降指不發(fā)生降水時，大氣中物質受重力、顆粒物吸附等作用由大氣沉降到地面的過程；濕沉降指發(fā)生降水事件時，高空雨滴吸收和沖刷大氣中物質降到地面的沉降過程。有關大氣沉降的研究較早，但長期以來研究的重點主要集中在酸雨和重金屬污染方面，其所傳輸營養(yǎng)物質對生態(tài)環(huán)境的影響一直被人們忽視。然而，對于演變機制復雜、生態(tài)環(huán)境敏感的河口、湖泊、水庫等地表水環(huán)境來說，大氣氮磷沉降不僅是維持初級生產力所需營養(yǎng)元素的主要來源，同時也是外在的和新增的污染負荷。近年來，隨著有機污染逐步得以控制，近岸海域和重點湖庫的富營養(yǎng)化問題日益突顯，但化石燃料和現(xiàn)代農業(yè)向大氣中排放的活性氮還在急劇增力口，使得通過大氣沉降輸入河流、湖庫和海洋生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)負荷也不斷加大，并已逐漸成為世界各國水體富營養(yǎng)化問題的重要污染來源之一。
[0003]目前，雖然大氣氮磷干濕沉降對水生態(tài)環(huán)境的影響已逐漸受到關注，但在其沉降負荷定量觀測方面的研究基礎還較為薄弱。一方面，不僅缺乏統(tǒng)一的大氣氮磷干濕沉降樣品采集與監(jiān)測分析技術規(guī)范，而且現(xiàn)有干濕沉降樣品采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性也較差，經常需要及時快速的現(xiàn)場維護與維修，否則難以保證樣品采集的質量；另一方面，由于部分氮磷干濕沉降觀測站點需要布設在遠離城市的野外露天環(huán)境，而降雨的不確定性，要求采樣人員必須準確掌握觀測現(xiàn)場的情況，并及時收集和保存濕沉降樣品，否則將會影響檢測分析的結果。現(xiàn)有的大氣干濕沉降采樣設備雖然通過雨量感應器實現(xiàn)了干沉降和濕沉降的自動分離，大大減少了樣品采集的工作難度，但仍然難以解決上述兩個方面的問題，必須有專門的人員駐守在觀測現(xiàn)場才能保證樣品采集和檢測分析的質量。
[0004]申請?zhí)枮?01010104400.9的中國發(fā)明專利公開了一種輻射環(huán)境干濕沉降自動采樣器，該采樣器包括箱體，箱體頂上設置有雨水感應器，箱體頂板上設有沉降物收集筒和雨水收集筒，雨水收集筒上設有密封蓋，密封蓋與升降旋轉開閉機構的輸出軸連接。但是此發(fā)明存在以下不足:1所述控制器是采用單片機進行控制，通過通信總線上傳數(shù)據(jù)。在一些遠離城市的野外露天環(huán)境進行總線布置成本是非常高的，且很容易受到環(huán)境的破壞。2、此采樣器沒有配置雨量計，也不具備降雨量遠程數(shù)據(jù)傳輸功能。因此，在一些遠離城市的野外露天環(huán)境下，難以在降雨停止后立刻收集和保存濕沉降樣品，將會影響檢測分析的結果，尤其對于氮、磷等非保守物質。3、此采樣器不具有設備工作狀態(tài)遠程監(jiān)視和控制功能，在發(fā)生干濕分離故障時難以快速進行設備維護或維修，嚴重影響樣品采集的質量。申請?zhí)枮?01210229259.4的中國發(fā)明專利公開了多功能大氣干濕沉降自動采樣器，該采樣器同樣具有上述的缺點，僅是一個獨立的采樣器，不具備無線通信的功能。
[0005]因此，提供一種成本低、能在環(huán)境惡劣場合應用的，能夠實時掌控設備運行狀態(tài)的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)具有重要研究價值。
實用新型內容
[0006]本實用新型的主要目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種具有無線通信功能的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過遠程降雨數(shù)據(jù)傳輸和干濕分離狀態(tài)監(jiān)控，能夠準確掌握沉降觀測現(xiàn)場的情況和樣品采集設備的工作狀態(tài)，以使維護和采樣人員及時到達觀測現(xiàn)場，保證大氣干濕沉降樣品采集和檢測分析的質量。
[0007]本實用新型的目的通過以下的技術方案實現(xiàn):具有無線通信功能的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)，包括若干個現(xiàn)場采樣器和一個遠程數(shù)據(jù)處理器，每一個現(xiàn)場采樣器包括箱體、設置在箱體頂部的雨水感應器、翻轉蓋板、干沉降收集缸、濕沉降收集缸以及置于箱體側面的雨量計；所述現(xiàn)場采樣器還包括控制與傳輸系統(tǒng)、電機和蓄電池，所述翻轉蓋板與電機相連，所述控制與傳輸系統(tǒng)分別與雨水感應器、電機、雨量計相連，蓄電池為上述各器件進行供電；所述遠程數(shù)據(jù)處理器與每一個現(xiàn)場采樣器中的控制與傳輸系統(tǒng)通過無線信號傳輸方式進行通信。通過無線方式，遠程數(shù)據(jù)處理器可以遠程掌握現(xiàn)場采樣器的設備工作狀態(tài)、遠程獲得現(xiàn)場降雨量數(shù)據(jù)，并可實現(xiàn)基本的遠程控制，從而降低工作人員的工作強度，提高工作穩(wěn)定性，并節(jié)省系統(tǒng)布置成本。
[0008]優(yōu)選的，所述干沉降收集缸和濕沉降收集缸缸口處還設置有若干個用于檢測翻轉蓋板位置的位置傳感器，每個位置傳感器均分別與控制與傳輸系統(tǒng)連接?？刂婆c傳輸系統(tǒng)可根據(jù)位置傳感器傳來的翻轉蓋板位置信息判斷當前翻轉蓋板是否運行正常。
[0009]優(yōu)選的，所述干沉降收集缸和濕沉降收集缸均嵌入在箱體中，分成左右兩組并排設置。缸體可用不銹鋼材質加工而成。
[0010]優(yōu)選的，所述電機為蝸桿式減速電機。采用此電機可使控制行程更精確。
[0011]優(yōu)選的，所述通過無線信號傳輸方式進行通信是指公共無線數(shù)據(jù)通訊服務，包括GPRS、CDMA、3G手機卡、無線電臺、衛(wèi)星通訊。
[0012]優(yōu)選的，所述蓄電池可通過交流電源或太陽能板等多種方式為蓄電池充電，提高了本實用新型在野外復雜環(huán)境下的工作穩(wěn)定性。
[0013]上述裝置基于以下的方法來實現(xiàn):
[0014]在沒有降雨時，翻轉蓋板覆蓋在濕沉降收集缸上；一旦雨水感應器檢測到有降水，則將信號傳遞到控制與傳輸系統(tǒng)；控制與傳輸系統(tǒng)通過控制電機驅動翻轉蓋板進行旋轉，將翻轉蓋板覆蓋在干沉降收集缸上，同時控制與傳輸系統(tǒng)將雨量計采集的降雨量數(shù)據(jù)以及當前翻轉蓋板的位置信息通過無線通訊方式發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)處理器；降雨停止時，控制與傳輸系統(tǒng)通過控制電機驅動翻轉蓋板移動至濕沉降收集缸上。
[0015]具體包括以下步驟:
[0016](I)準備階段:在每次使用前，先將干沉降收集缸和濕沉降收集缸用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗，其中濕沉降收集缸須在使用前晾干或哄干；
[0017](2)采集階段:通過雨水感應器檢測是否有降水，如果沒有降水，則進入步驟(2-1)，否則進入步驟(2-2)；
[0018](2-1)進行干沉降樣品采集，采樣人員定期采樣；
[0019](2-2)進行濕沉降樣品采集，降雨開始時，雨量計記錄降雨量數(shù)據(jù)，控制與傳輸系統(tǒng)控制翻轉蓋板移動至干沉降收集缸上端，并將降雨量數(shù)據(jù)和翻轉蓋板位置信息通過無線通訊方式實時發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)處理器；降雨停止時，控制與傳輸系統(tǒng)控制翻轉蓋板移動至濕沉降收集缸上端，并將當前的降雨量數(shù)據(jù)和翻轉蓋板位置信息發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)處理器，遠程數(shù)據(jù)處理器通知采樣人員赴現(xiàn)場采集或處理濕沉降樣品；
[0020](3)采樣人員赴現(xiàn)場采集完成后，回到步驟(I)。
[0021 ] 優(yōu)選的，所述步驟(2-1)中的干沉降樣品采集包括干法收集和濕法收集，其中濕法收集采用去離子水或當?shù)氐乇硭w作為收集液。
[0022]優(yōu)選的，所述步驟(2-2)中，當遠程數(shù)據(jù)處理器接收的翻轉蓋板位置信息不正確時，通過遠程強制翻轉蓋板翻轉、或重新啟動現(xiàn)場采樣器或立刻指派人員赴現(xiàn)場方式進行維修。以清除故障。
[0023]優(yōu)選的，所述步驟(2-2)中的濕沉降樣品采集時，降雨停止時，工作人員根據(jù)遠程數(shù)據(jù)處理器接收的降雨量數(shù)據(jù)估算濕沉降樣品量是否在設定限值以上，如果是，則安排采樣人員赴觀測現(xiàn)場進行樣品收集；如果不是，繼續(xù)采集24小時內的降雨直至達到設定限值以上，如果24小時內的濕沉降樣品仍不能達到設定限值，則進行廢棄處理，安排采樣人員赴觀測現(xiàn)場重新清洗濕沉降收集缸備用。
[0024]本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0025]1、本實用新型通過遠程降雨數(shù)據(jù)、干濕分離狀態(tài)和系統(tǒng)故障等數(shù)據(jù)和信息的無線傳輸，能夠準確掌握沉降觀測現(xiàn)場的情況和樣品采集設備的工作狀態(tài)，保證了大氣干濕沉降樣品采集和檢測分析的質量。
[0026]2、本實用新型中采用蓄電池作為電源，并可通過交流電源或太陽能板等多種方式為蓄電池充電，提高了大氣氮磷干濕沉降現(xiàn)場采樣設備在野外復雜環(huán)境下的工作穩(wěn)定性。
[0027]3、與現(xiàn)有大氣氮磷干濕沉降采樣器相比，本實用新型大大減少了樣品采集和設備維護的人員和技術需求，也降低了對野外觀測環(huán)境的要求，更適合應用于整個區(qū)域或流域尺度范圍的大氣氮磷干濕沉降觀測站網(wǎng)建設。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本實用新型中現(xiàn)場采樣器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0030]實施例1
[0031]本實施例具有無線通信功能的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)，包括兩個現(xiàn)場采樣器和一個遠程數(shù)據(jù)處理器，其中一臺現(xiàn)場采樣器安裝在珠海市濱海某商務中心樓頂天臺(N22° 20' 39.9"，E113° 35' 19.9 ")，另一臺現(xiàn)場采樣器安裝在廣州市華南環(huán)境科學研究所某辦公樓頂天臺(N23° V 28.53"，E113° 21' 15.02 ");遠程數(shù)據(jù)處理器b為中山大學地環(huán)學院某辦公用計算機(N23° 6' 10.09"，E113° 17' 40.93")。基于上述實際系統(tǒng)，具體詳述如下。
[0032]本實施例所述的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)中現(xiàn)場采樣器包括箱體1、設置在箱體頂部的雨水感應器5、翻轉蓋板3、左側位置傳感器2、右側位置傳感器7、濕沉降收集缸4和干沉降收集缸6以及設置在箱體側面的雨量計10。箱體I內設置有蓄電池9、控制與傳輸系統(tǒng)11和蝸桿式減速電機8。
[0033]所述干沉降收集缸6和濕沉降收集缸4均嵌入在箱體I中，分成左右兩組并排設置。缸體采用不銹鋼材質加工而成。所述蓄電池可以是通過普通交流電源方式進行充電，也可以采用太陽能板來進行充電，采用太陽能板充電不僅節(jié)能環(huán)保，還能夠在采樣間隔時間較長時仍能夠維持現(xiàn)場采樣器的正常運作，使得采樣器在野外復雜環(huán)境下的工作穩(wěn)定性得到提聞。
[0034]本實施例中控制與傳輸系統(tǒng)11可采用兩個單片機和開通GPRS功能的手機卡來實現(xiàn)。根據(jù)運行的功能不同，對應采用不同的單片機來控制，例如第一單片機與雨水感應器和電機連接，實時采集雨水感應器數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)有降雨，則驅動電機運作，電機驅動翻轉蓋板進行旋轉。第二單片機則與雨量計、位置傳感器相連，實時采集二者的數(shù)據(jù)，并通過開通GPRS功能的手機卡這種無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)處理器。這里無線傳輸方式可以根據(jù)實際應用需求進行更換，例如現(xiàn)有技術中的CDMA、3G手機卡、無線電臺、衛(wèi)星通訊等方式均可以進行置換使用。
[0035]在進行樣品采集與數(shù)據(jù)傳輸時，將干沉降收集缸6和濕沉降收集缸4用自來水清洗干凈，并用去離子水沖洗3遍，其中濕沉降收集缸4須哄干。因本實施例中干沉降收集缸內進行濕法收集，所以在干沉降收集缸內加入約500mL去離子水作為收集液，一起放置于箱體I的頂面。在無雨時，翻轉蓋板3蓋緊濕沉降收集缸4，由干沉降收集缸采集干沉降樣品；發(fā)生降雨時，雨量計10記錄降雨量數(shù)據(jù)，雨水感應器5將降雨信號傳送到控制與傳輸系統(tǒng)11，控制與傳輸系統(tǒng)11控制蝸桿式減速電機轉動，使翻轉蓋板5移動并蓋緊干沉降收集缸6，由濕沉降收集缸4采集濕沉降樣品；降雨停止后，翻轉蓋板3重新移動至濕沉降收集缸4 一側，蓋緊濕沉降收集缸。采樣器工作期間，無論是否發(fā)生降雨，雨量計10記錄的數(shù)據(jù)、翻轉蓋板3觸發(fā)位置傳感器2或7的位置信息均可經控制與傳輸系統(tǒng)11通過無線通訊方式傳輸至遠程數(shù)據(jù)處理器b。
[0036]對于樣品收集與檢測分析:工作人員根據(jù)遠程數(shù)據(jù)處理器b接收的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和信息進行任務安排。降雨過程停止，工作人員根據(jù)降雨量數(shù)據(jù)估算濕沉降樣品量是否在200mL以上(滿足水質指標檢測分析樣品量的要求)，大于200mL則安排采樣人員赴觀測現(xiàn)場進行樣品收集，否則繼續(xù)采集24小時內的降雨直至達到200mL以上，如果24小時內的濕沉降樣品仍不能滿足水質指標檢測分析的樣品量要求，則進行廢棄處理，并重新清洗濕沉降收集缸備用；干沉降樣品則每月采集一次，定期在月底收集。如果雨量計未有數(shù)據(jù)記錄、翻轉蓋板3位置信息錯誤，工作人員可通過手動請求數(shù)據(jù)、強制蓋板翻轉或重新啟動采樣器等方式進行遠程控制，并根據(jù)現(xiàn)場故障情況指派合適人員赴現(xiàn)場進行維護或維修。沉降樣品采用環(huán)境保護部門推薦的標準方法進行檢測分析，水質指標包括氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總氮、磷酸鹽和總磷等氮磷組份。
[0037]在樣品采集后進行數(shù)據(jù)處理與通量計算，不考慮沉降缸內液體可能發(fā)生的物理、化學和生物過程，根據(jù)干沉降的收液量、降雨量和所采集的沉降樣品濃度，分別采用式(I)?(2)計算干沉降和濕沉降的月通量。
[0038]SD=CV/fA (I)
【權利要求】
1.具有無線通信功能的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)，其特征在于，包括若干個現(xiàn)場采樣器和一個遠程數(shù)據(jù)處理器，每一個現(xiàn)場采樣器包括箱體、設置在箱體頂部的雨水感應器、翻轉蓋板、干沉降收集缸、濕沉降收集缸以及置于箱體側面的雨量計；所述現(xiàn)場采樣器還包括控制與傳輸系統(tǒng)、電機和蓄電池，所述翻轉蓋板與電機相連，所述控制與傳輸系統(tǒng)分別與雨水感應器、電機、雨量計相連，蓄電池為上述各器件進行供電；所述遠程數(shù)據(jù)處理器與每一個現(xiàn)場采樣器中的控制與傳輸系統(tǒng)通過無線信號傳輸方式進行通信。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有無線通信功能的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)，其特征在于，所述干沉降收集缸和濕沉降收集缸缸口處還設置有若干個用于檢測翻轉蓋板位置的位置傳感器，每個位置傳感器均分別與控制與傳輸系統(tǒng)連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的具有無線通信功能的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)，其特征在于，所述干沉降收集缸和濕沉降收集缸均嵌入在箱體中，分成左右兩組并排設置。
4.根據(jù)權利要求1所述的具有無線通信功能的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)，其特征在于，所述通過無線信號傳輸方式進行通信是指公共無線數(shù)據(jù)通訊服務，包括GPRS、CDMA、3G手機卡、無線電臺、衛(wèi)星通訊。
5.根據(jù)權利要求1所述的具有無線通信功能的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)，其特征在于，所述蓄電池通過交流電源或太陽能板進行充電。
6.根據(jù)權利要求1所述的具有無線通信功能的大氣氮磷干濕沉降采樣系統(tǒng)，其特征在于，所述電機為蝸桿式減速電機。
【文檔編號】G01N1/20GK203376188SQ201320445035
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年7月24日 優(yōu)先權日:2013年7月24日
【發(fā)明者】陳中穎, 劉愛萍, 鮑若峪, 任秀文, 孫力, 張強 申請人:環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所